Desarrollo y Caracterización de Sensores Químicos de Estado Sólido para Aplicaciones Biomédicas

Abstract

El trabajo realizado para la tesis se ha centrado en el desarrollo y el estudio de multi-sensores químicos basados en silicio para aplicaciones biomédicas. Dicho trabajo se divide en tres partes:<br/>En la primera parte se han fabricado sensores de silicio basados en transistores de efecto de campo sensibles a iones (ISFET). El dispositivo tiene forma de aguja e incluye dos sensores ISFETs, un pseudo-electrodo de referencia de platino y un sensor de temperatura basado en una resistencia de platino. Los ISFETs se han caracterizado eléctricamente como transistores MOSFET y químicamente como sensores de pH, con resultados satisfactorios, lo que ha demostrado la viabilidad de las tecnologías de fabricación.<br/>Se han desarrollado MEMFETs selectivos al ión potasio depositando sobre el ISFET una membrana polimérica de PVC que contiene la valinomicina como ionóforo. Los sensores mostraron una respuesta de 50 mV/década aproximadamente, en un rango de actividad del ión K+ que va desde 10-4 M hasta 10-1 M.<br/>Debido a su gran volumen, el electrodo de referencia estándar no es práctico para trabajar con ISFETs. Por ello se ha estudiado la realización de medidas diferenciales utilizando además del MEMFET de potasio, un ISFET de referencia (REFET) y el pseudo electrodo de platino integrado en el dispositivo permitiendo así la substitución del electrodo de referencia. El REFET se ha fabricado depositando una membrana polimérica de PVC inerte. Para mejorar la adherencia de la membrana a la superficie del REFET se ha realizado un proceso de silanización de la superficie, consistente en modificar químicamente la superficie del dieléctrico, de modo que se crean enlaces mediante los cuales la membrana queda bien adherida al dispositivo.<br/>Se ha caracterizado también el sensor de temperatura basado en una resistencia de platino integrado en la aguja. Los resultados obtenidos son muy lineales y repetitivos, con un valor del coeficiente de temperatura de la resistencia TRC de 2687&#61617;3 ppm/C.<br/>En la segunda parte de la tesis, se han desarrollado microelectrodos de estado sólido sensibles al ión hidrógeno en forma de aguja de silicio, basados en membranas poliméricas, utilizando como ionóforos el Chromoionoforo I (ETH 5294) y el Tri-n-dodecilamino (TDDA). <br/>Se ha depositado sobre los microelectrodos de platino un nuevo material polimérico conductor; el polipirrol dopado con el anión cobaltabisdicarballuro [3,3'-Co(1,2-C2B9H11)2]- mediante la técnica de electropolimerización. Este polímero actúa como capa intermedia entre el platino y la membrana. El empleo de esta etapa intermedia aumenta considerablemente la adherencia de la membrana PVC sobre la superficie del transductor y por tanto el tiempo de vida.<br/>Las características de respuesta de los microelectrodos son muy satisfactorias. Los dispositivos presentan una sensibilidad nernstiana en un rango de respuesta amplio (pH 3.5-11.0). Los coeficientes de selectividad potenciometricos obtenidos ponen de manifiesto la buena selectividad de los microelectrodos al ión hidrógeno en presencia de iones como potasio, sodio y litio.<br/>La ultima parte de este trabajo ha sido dirigida a la búsqueda de soluciones a dificultades que han sido encontradas en la utilización química de los MEMFETs sensibles al ión K+. En este sentido, se ha estudiado la modificación del óxido de silicio utilizado en la puerta del ISFET con el fin de variar su selectividad a iones específicos. Para ello se han fabricado estructuras capacitivas sensibles al ión potasio utilizando membranas inorgánicas basadas en la técnica de implantación iónica del ión aluminio y potasio en el oxido de silicio. Las estructuras han sido caracterizadas mediante la técnica capacidad-tensión (C-V) a alta frecuencia. Las características de respuesta obtenidas tanto en cuanto a sensibilidad como a selectividad han sido aceptables y comparables con las halladas en la bibliografía.

The thesis work has been focused on the development and the study of chemical multi-sensors based on silicon for biomedical applications. The work is divided in three parts:<br/>In the first part we fabricated sensors based on ion-sensitive field-effect transistors (ISFET). The device has the form of a needle and includes two ISFET sensors, a platinum pseudo-reference electrode and a temperature sensor based on a platinum resistor. The ISFETs have been characterised both electrically as MOSFET transistors and chemically as pH sensors with good results, thus demonstrating the viability of the fabrication technologies.<br/>Potassium selective MEMFET devices have been obtained by solvent-casting a poly(vinyl chloride) (PVC) plasticized potassium-sensitive membrane, containing valinomycin as ionophore, on the insulator gate. Linear responses have been obtained in a range of K+ activity between 10-4 M and 10-1 M approximately, with an almost Nerntsian sensitivity (50 ± 2 mV per decade).<br/>To make useful measurements with ISFETs in their final application, the use of conventional reference electrodes, which are big and fragile, should be avoided. This can be done if a differential setup is used, with two ISFETs that show different sensitivities to the measuring ion. In that case, a metallic quasi-reference electrode can be used. The electrical potential at the electrode-electrolyte interface is unstable, but it is measured by the differential ISFET pair as a common mode voltage and is eliminated. For the differential measurement one of the ISFETs has to be made insensitive to the measuring ion (reference-ISFET or REFET). In this work we used the platinum pseudo electrode integrated in the device. The REFET has been fabricated by depositing a polymeric PVC inert membrane. To improve the adherence of the membrane to the surface of the REFET, a surface functionalization process has been realized.<br/>The temperature sensor based on a platinum resistance integrated in the needle has been also characterized. The response of the resistance with the temperature is highly linear and repetitive with a resistance temperature coefficient of 2687&#61617;3 ppm/C.<br/>In the second part of the work, we have developed hydrogen selective solid state microelectrodes based on silicon needle. The microelectrodes are based on an hydrogen selective PVC membrane containing either Chromoionophore I (ETH 5294) or Tri-n-dodecylamine (TDDA) ionophores. A novel electrodeposited conductive polymer, Polypyrrole (PPy) doped with Cobaltabis(dicarbollide) ions ([3.3-Co(1.2C2B9H11)2]), has been used as a solid internal contact layer between the solid surface (Pt) and the polymeric sensitive membrane. The presence of this polypyrrole layer greatly increases the stability of the microelectrodes.<br/>The potenciometric response characteristics of the microelectrodes are very satisfactory. The devices exhibited excellent selectivity to Hydrogen against common interfering cations, as potassium, sodium and lithium, in background solutions. The pH response shows also a good linearity in a wide pH range (3.5-11.0), with Nernstian slopes.<br/>The last part of this work has been directed to the research of solutions to the difficulties that have been found in the chemical utilization of the potassium sensitive MEMFETs. We have studied the modification of the silicon dioxide on the ISFET gate to change its selectivity to specific ions. In this way we have obtained potassium-sensitive capacitive structures by ion implantation of K+ and Al+ ions into silicon dioxide on silicon with low energy in order to reduce the damage to the substrate during the process of implantation. As this method is compatible with the standard CMOS process, these results can be considered as promising for its application to the production of ISFET devices sensitive to potassium. The structures have been characterized by means of the capacity-tension (C-V) method at high frequency. The characteristics of response obtained (sensibility and selectivity) have been acceptable and comparable with those found in the bibliography.